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全球首例由机器人“操刀”的体细胞克隆猪近日在天津诞生,由此打开了机器人“操刀”克隆技术这扇门。

作为开启这扇门的科学家、南开大学计算机与控制工程学院副院长赵新既兴奋又低调。

“克隆猪是一个复杂的生物过程,我在这方面是一个外行,我们只是通过机器人微操作建立了一套批量核移植操作流程,实现了卵母细胞去核和供体细胞注射等一系列核移植关键步骤的自动化。”赵新说。

邂逅克隆

2007年,天津市畜牧兽医研究所克隆羊产下“龙凤胎”。这个消息引发了赵新的思考,他在想:新一代微操作机器人向何处去?两者能否合作?赵新对克隆技术着了迷。

体细胞克隆猪是改良猪品种的经典方法之一。大致可分为三步:第一步取得一个优良品种猪的体细胞和一个普通母猪的卵母细胞,第二步将卵母细胞核去除并注入优良品种猪的体细胞,第三步将其注入代孕母猪体内直至产下幼仔。

而微操作机器人进行的是第二步,也就是操作中最难的一步。简单来讲,就是它将普通品种猪的卵母细胞的细胞核去除后,再注入优良品种猪的体细胞核。这种方法的优势在于获得的生物后代一定是优良品种。然而,这项技术成功率极低,成了制约体细胞克隆技术发展的瓶颈。

赵新决定派微操作机器人“上场”。从那时起,赵新课题组与天津市畜牧兽医研究所开始了以克隆为目的的微操作机器人技术攻关。

微操作机器人什么样?赵新说:“在显微镜下有两个探针,它们通过自动化操作完成相关动作。”原来机器人长这样。

听起来简单,做起来难。首先要解决微操作机器人的视觉问题;其次要解决机器人操作中的力学问题。譬如,如何称量细胞的重量,摸清细胞受力后的运动情况以及摩擦力等问题。第三,机器人在操作中怎样让细胞损伤最小。这一系列问题都要在试验中摸索,并将克隆技术操作中的每个手动动作转化为物理过程,再组建数学模型进而形成微操作动作。

刚刚开始

这些难题中,不仅有科学问题,还有工艺问题。

机器人操作克隆猪,好似机器人在几十微米的细胞上做手术。首先需要机器人将猪的卵母细胞中的细胞核取出来,然后再注入一个体细胞核。在几十微米的细胞上完成这样操作,还要尽可能减少对细胞的损伤,其难度可想而知。

赵新团队先后完成了数千例核移植操作,将体细胞克隆技术成功的关键指标“囊胚率”从10%提高至21%。2017年1月初,他们分4批完成了510例核移植操作,并将这510枚克隆胚胎移植到6头母猪体内。最终,两头母猪顺利受孕,并于4月26日、29日分别产下7头、6头共计13头健康的克隆猪。

没有先例,甚至没有完整的理论依据,一切都要自己摸索。

为了尽量减少微操作对细胞的伤害,他们开发出专用针管。在拨动中,细胞会发生移动、摩擦,在仅有几十微米大小的细胞上抽取细胞核的难度可想而知。为了找准位置,他们需要反复试验并核算数据,算出数学模型,最后再转换成一个个微操作动作。

经过反复试验,团队研制的微操作机器人已能实现细胞拨动等操作,保证了在细胞核移植操作过程中细胞受力最小。

赵新说,虽然这次成功了,但能否让微操作机器人抽取细胞核时更精准,进而让体细胞克隆时“囊胚率”更高,要实现这一目标,还有很长的路要走。

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